五个月前发现的流浪黑洞,竟是人类已知最小的黑洞?

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五个月前发现的流浪黑洞,竟是人类已知最小的黑洞?

发布日期:2022-06-25 22:23    点击次数:118

流浪黑洞的艺术想象图。图片来源:FECYT, IAC

大约五个月前,我们曾在《首次发现!5000 光年外一颗流浪黑洞正在群星间飞速潜行》一文中报道了人类发现的第一颗流浪黑洞。但最近,又一篇预印本论文表明,这颗黑洞可能不仅是人类发现的第一颗流浪黑洞,还可能是人类已知的最小的黑洞。

撰文|王昱

审校|白德凡

今年 1 月 31 日,美国空间望远镜研究所(STScl)的凯拉什 · 萨胡(KailashSahu)在预印本网站上发表论文,表示他们首次发现了银河系中的 " 流浪黑洞 "。这个黑洞距离地球 5000 光年,以每秒 45 千米的速度在宇宙中飞驰。

引力透镜

黑洞是一类引力极强的天体,连光都可以吞噬。以往发现的黑洞一般都在吸积气体,气体在落入黑洞的过程中会被摩擦加热到极高的温度,放出 X 射线;或者有一颗与之相互绕转的伴星,天文学家能通过伴星的运动轨迹推测黑洞的存在;又或者它位于星系中央,天文学家能将世界各地的射电望远镜联合起来拍摄它的照片。但如果想找到宇宙中孤立的流浪黑洞,目前我们掌握的手段只有引力透镜。

黑洞在星系背景上移动的模拟动画。图片来源:public domain

广义相对论告诉我们,引力能扭曲光线。1916 年,爱因斯坦就曾预言太阳的引力可以扭曲附近的光线,从而让其附近恒星的视位置偏移少许。1919 年,英国天文学家亚瑟 · 斯坦利 · 爱丁顿(Arthur Stanley Eddington)在日全食时观测了太阳附近的恒星,验证了爱因斯坦的预言。

这种偏转光线的能力,让黑洞这种致密天体可以变成一个 " 引力透镜 "。如果天文学家发现星空背景产生了畸变,那这个方向上就可能存在一个能充当引力透镜的致密天体。当这种天体在宇宙中移动时,会汇聚背景星光,从而让背景星突然变亮。

哈勃空间望远镜检测到一颗恒星的亮度变化,这是由于一个致密天体在前方飞过,汇聚了恒星的光线导致的。图片来源:NASA, ESA, Kailash Sahu ( STScI )

2011 年 6 月,波兰华沙大学的光学引力透镜实验(OGLE),以及新西兰和日本开展的天体物理学微透镜观测(MOA)都发现了一个值得注意的现象,在银河系中心方向上有一颗恒星突然变亮了(在两个项目中这次事件名分别为 OGLE- 2011-BLG-0462/MOA-2011-BLG-191,可以简称为 OB110462)。萨胡认为这可能是微引力透镜(microlensing)导致的,并用哈勃空间望远镜观测目标天区,在接下来的 6 年中反复观测。最终,萨胡团队根据光线偏转的程度推测,这是一颗7.1 倍太阳质量的黑洞导致的。他们当时在预印本网站上发表的论文现在也已经被《天体物理学报》接收。

最小的黑洞

但是加州大学伯克利分校的凯西 · 林(CaseyLam)团队在预印本网站上发表的论文却表示,构成引力透镜的物体,质量可能在 1.6~4.4 倍太阳质量之间。这表明除了黑洞之外,这个引力透镜也可能代表一颗中子星。该团队中的杰西卡 · 卢(Jessica Lu)表示:" 尽管我们很想说它绝对是一个黑洞,但我们必须报告所有的可能结果,这其中包含低质量黑洞、甚至还包含中子星。"

两个团队的研究都表明,产生 OB110462 天体距离我们 5000 光年左右,并且很难观测到它本身发出的光(这对中子星来说是可能的),只是两者的质量估计不同。林研究团队在论文中表示,两个团队对引力透镜质量估计的差异可能是因为使用的数据集不同,因为他们额外使用了哈勃空间望远镜 2021 年的数据;也可能是分析原理的不同,虽然两个团队在分析时都使用了测光方法和天体测量学方法,但是他们使用的权重是不同的;或者二者皆有。在进行进一步工作之前,必须找清楚两个研究差异的来源。

蓝色是通过引力波发现的黑洞,红色为通过电磁波发现的黑洞。可以看出很少有 5 倍太阳质量以下的黑洞。图片来源:LIGO-Virgo/Aaron Geller/Northwestern

但是,这个引力透镜一定是由一颗致密天体产生的。理论上,中子星质量最大可以到太阳质量的 2.3 倍。在这个质量以上,中子星内部的中子简并压就不足以抵抗强大的引力,只能塌缩成一颗黑洞。但是,除了个别引力波事件之外,人类很少能发现质量在 5 倍太阳质量以下的黑洞。如果 OB110462 真的是由一颗低质量黑洞产生的,它不仅有机会成为人类已知的最小的黑洞,也能补上黑洞和中子星之间的质量缺口。

除了 OB110462,林团队还发现了 4 个引力透镜,它们的质量都在 2 倍太阳质量以下,不可能是黑洞,只能是白矮星或中子星。这 5 个候选样本中黑洞的比例和对银河系黑洞总数的估计一致。

天文学家估计银河系中有 1 亿颗恒星质量黑洞。这样的黑洞只能由 20 倍太阳质量以上的恒星在死亡时产生,尽管这种恒星仅占银河系恒星总数的 0.1%,但考虑到银河系 1000 亿~2000 亿颗的恒星总数和它 130 亿年的历史,1 亿颗是个比较合理的数字。从统计学上来看,银河系中距离地球最近的流浪黑洞可能离我们只有 80 光年,所以这颗 5000 光年外的流浪黑洞距我们并不是很近。作为参考,太阳系之外距我们最近的恒星在 4.2 光年外。

它是暗物质吗?

既然流浪黑洞很难被观测到,同时数量颇多,质量庞大,那它可能是暗物质吗?事实上,天文学家在上个世纪就考虑过这个问题,而流浪黑洞应该算作晕族大质量致密天体(massive compact halo object,MACHOs)。在过去的 25 年中,天文学家同样用微引力透镜寻找这些暗物质候选体。他们发现,就算没有地球大气层的扰动,恒星背景也会一直不停闪烁,除了恒星本身的变化外(比如恒星本身就是变星),有一部分闪烁就是由 MACHOs 的微引力透镜导致的。最终,他们发现,银河系中 20% 的暗物质都有可能是 MACHOs,这其中就包含如今发现的流浪黑洞。

不过理论上的研究表明,MACHOs 并不能解释所有暗物质,如果假设所有的暗物质都是由 MACHOs 构成,那么宇宙微波背景辐射的温度涨落幅度就太小,和今天的宇宙结构相矛盾。

2025 年,欧洲航天局将公布盖亚望远镜得到的引力透镜数据,NASA 计划在 2027 年发射的南希 · 格雷丝 · 罗曼空间望远镜(Nancy Grace Roman Space Telescope)也将继续监视星空。在它们的帮助下,我们一定能发现更多流浪黑洞。



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